Vetenskap hämtar inspiration överallt för ett genombrott. En klibbig platta med bakterier gav oss det första antibiotikumet - penicillin. Att kombinera jäst med en platinaelektrod under spänning gav oss ett kraftfullt kemoterapidrog - cisplatin. Dr. Andrew Pelling från University of Ottawa hämtar sina radikala idéer från science fiction-klassikern The Little Horror Store. I synnerhet gillar han filmens huvudantagonist: den kannibalistiska växten Aubrey 2.
Det är något som ser ut som en växt med däggdjursegenskaper, sa Pelling på konferensen Exponential Medicine i San Diego den här veckan. "Så vi började undra: kan detta odlas i ett laboratorium?"
Pells ultimata mål är naturligtvis inte att leva ett sci-fi-monster. Istället vill han förstå om konventionella växter kan ge den struktur som krävs för att ersätta mänsklig vävnad.
Ökning av mekanobiologi
Att odla ett mänskligt öra från äpplen kan verka som en udda process, men Pells utgångspunkt är att fibrösa insidor påfallande liknar de mikromiljöer där bioingenjörerad mänsklig vävnad vanligtvis odlas i laboratorier.
För att göra en öronbyte, till exempel, forskare rutinmässigt skär eller 3D-tryck ihåliga stödstrukturer från dyra biokompatibla material. De inokulerar sedan mänskliga stamceller i denna struktur och försörjer den noggrant med en cocktail av tillväxtfaktorer och näringsämnen, och uppmuntrar cellerna att växa. Så småningom, efter veckor och månader av inkubation, sprids cellerna och differentieras till hudceller i skogarna. Resultatet är ett bioingenjörerat örat.
Problemet är att inträdesbarriären är mycket hög: stamceller, tillväxtfaktorer och skogsmaterial är alla dyra att köpa och svåra att producera.
Kampanjvideo:
Men behövs verkligen dessa komponenter?
Genom en serie experiment har Pelling och andra upptäckt att dessa mekaniska krafter inte bara är en biprodukt av biologi; snarare reglerar de grundläggande molekylära mekanismer i cellen.
Tidigare studier har visat att varje steg av embryotillväxt -”en grundläggande process i biologi” - kan regleras och kontrolleras av mekanisk information. Med andra ord kan fysiska krafter inducera celler att dela sig och migrera genom vävnader, eftersom vår genetiska kod styr vägutvecklingen av hela organismen.
I laboratoriet verkar stretching och mekaniskt stimulerande celler radikalt förändra deras beteende. I ett test sprutade Pells team cancerceller på ett ark med hudceller som odlades längst ner i en petriskål. Cancerceller samlas i små bollar och bildar en tydlig barriär mellan mikrotumor och hudceller.
Men när forskargruppen placerade hela det cellulära systemet i en enhet som sträckte det något - efterliknande av andning och kroppsrörelse - blev tumörcellerna aggressiva och invaderade skiktet av hudceller.
Vad är ännu svalare: ingen aktiv rörelse krävs för mekaniska krafter för att transformera cellbeteende. Formen för mikromiljön är tillräcklig för att vägleda deras handlingar.
Till exempel, när Pelling placerade två typer av celler i en fysisk struktur med spår, lossades cellerna inom några timmar, och en typ växte i spåren och den andra på högre projektioner. Genom att känna formen på denna korrugerade yta "lärde" de sig att separera och rymma passformen.
Så: med bara en form kan celler stimuleras till komplexa tredimensionella modeller.
Och här hjälper äpplet oss.
Ett äpple … eller ett öra?
Under mikroskopet är ett äpples mikromiljö i samma längdskala som konstgjorda ytor för framställning av vävnader. Denna upptäckt fick forskare att undra: är det verkligen möjligt att använda denna växtytstruktur för att odla mänskliga organ?
För att testa detta tog de ett äpple och tvättade alla dess växtceller, DNA och andra biomolekyler. Det finns bara fibrösa ställningar kvar - de fastnar fortfarande i tänderna. När teamet placerade mänskliga och djurceller inuti började cellerna att växa och spridas.
Uppmuntrat av resultatet snidade forskarna ett äpple i form av ett mänskligt öra och upprepade processen ovan. Inom några veckor sprickades cellerna och förvandlade ett äpple till ett köttigt mänskligt öra.
Naturligtvis räcker det inte med en form. Ersättningsvävnaden måste också slå rot i kroppen.
Teamet implanterade sedan äppelskogar rakt under musens hud. På bara åtta veckor koloniserade friska musceller inte bara matrisen, utan gnagarnas kropp producerade också nya blodkärl som hjälpte skogarna att leva och frodas.
Bioingenjörerad vävnad har tre viktiga egenskaper: den är säker, den är biokompatibel och den produceras från en förnybar, etisk källa.
Att gå från teori till praktik
Pelling är särskilt imponerad av sina resultat på grund av dess enkelhet: det kräver inte stamceller eller exotiska tillväxtfaktorer för att fungera. Den eleganta metoden använder helt enkelt den fysiska strukturen på växten.
Teamet utökar för närvarande sitt arbete till tre huvudområden inom vävnadsteknik: mjukvävnadsbrosk, benvävnad, ryggmärg och nerver. Viktigheten är att matcha växtens specifika mikrostruktur med vävnaden.
Och varför begränsa oss till den kropp som naturen gav oss? Om ställningsformer är den enda bestämningen för vävnads- eller organteknik, varför inte skapa dina egna former?
Pelling beväpnade sig själv med denna idé och skapade ett designföretag som skulle ställas in i tre olika typer av öron: vanliga mänskliga öron, spetsiga öron som Spocks och vågiga öron, som i teorin skulle kunna undertrycka eller förbättra olika frekvenser.
Ilya Khel
